CN100352138C - 高压气体支撑飞轮电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压气体支撑飞轮电池。本发明利用高压气瓶作为气源，经稳压器、过滤器等装置把惰性气体输入气体轴承中，将飞轮浮起。充电时，电源经电力电子变换装置驱动电动机，电动机带动飞轮高速转动，电能转化为飞轮动能存储起来。放电时，电动机作为发电机，在飞轮带动下发电，通过电力电子变换装置，将电能返回电源。同时真空泵在控制器的作用下将惰性气体从飞轮密封防护罩中抽出，输送到气源。并维持密封防护罩内气压在10^-3～10^-4Pa，以减小飞轮风损。

Description

高压气体支撑飞轮电池

技术领域

本发明涉及一种飞轮储能装置，特别是一种用高压气体支撑的飞轮储能电池。

背景技术

高速飞轮储能技术是一种高效，前沿的新技术，是一种绿色储能方法，受到各国的广泛关注。在未来的绿色能源系统中，将起到重要作用。从国内外研究情况来看，飞轮电池的主要承载形式有机械轴承承载、磁轴承承载以及机械轴承与磁轴承联合承载。

由于机械轴承具有安装调试简单，成本低，技术成熟，稳定性高等特点，因此早期的飞轮电池装置中，较多地采用机械轴承支撑形式。这类轴承有：陶瓷轴承、宝石轴承和滚动轴承等。这类支撑方式的飞轮一般用于快速冲放电系统，如美国的Kaman电磁公司、Satcon公司和英国Newcastle大学研制的飞轮电池装置中就采用这类支撑方式。但是机械轴承所能达到的极限转速低，摩擦损耗大，使用寿命短，很难满足发展高速飞轮的需要。

随着磁悬浮技术的发展，目前飞轮电池开始采用磁轴承。磁轴承包括主动磁轴承(亦称电磁轴承)和被动磁轴承(永磁轴承和超导磁轴承)。由于磁悬浮轴承所固有的不稳定性，被动控制的磁悬浮轴承实际很少单独使用，多是和主动磁轴承组合使用。

美国Maryland大学采用永磁/电磁支撑方式的飞轮用于电力调峰。美国阿贡国家实验室与州立爱迪生电力公司合作，开发的高温超导磁轴承摩擦系数达到3×10^-7世界记录，并研制了1MWh单元的高温超导飞轮电池储能装置。美国Houston大学采用永磁/超导支撑方式浮起19kg的飞轮转子，永磁轴承提供悬浮力，而超导磁轴承用于消除固有的磁—磁不稳定。

国内飞轮储能研究也取得和很大进展，其中成立于1995年的清华大学飞轮储能实验室是国内最早研究储能飞轮的实验室之一。他们采用螺旋线滑动轴承和永久磁铁悬吊式阻尼器相结合的方式支撑飞轮。研究的第二代飞轮线速度达到650m/s，储能量500w·h。合肥工业大学采用电磁轴承与永磁轴承组合支撑的方式。永磁轴承提供径向力，电磁轴承提供周向力。华北电力大学采用永磁吸力轴承卸载，油浮轴承定位的准磁悬浮方式提供支撑。

磁悬浮技术虽然能满足高转速，低损耗，寿命长的要求，但是其成本高，本身控制系统耗能大。而且电磁轴承系统由于无法准确知道在轴承气隙处磁通量所产生的强度和路径，以及与铁磁材料相关的非线性性，包括非线性的磁导率和磁滞现象；还有诸如功率放大器的输出电压饱和转子限定的位移等的物理约束，以及高速时的陀螺效应和转子不平衡引起的同步扰动，及外部作用于及其壳体上的非同步扰动等因素，使得它的控制困难，给安装调试以及系统可靠性带来一系列问题，这也是磁轴承没有广泛使用的原因。

发明内容

本发明的目的是提供一种靠高压气体支撑的飞轮电池，可将电能转化为飞轮的动能加以存储，在需要放电时，可将飞轮动能转化为电能释放，并能够维持飞轮高速旋转，减少能量损耗，提高使用寿命。

为实现上述目的，本发明的飞轮电池包括密封防护罩，密封防护罩中央设置主轴，主轴上下两端与着陆轴承内环过盈配合，着陆轴承外环与密封防护罩过盈配合，在主轴的上端套有径向气体轴承，下端套有推力径向复合气体轴承，径向气体轴承和推力径向复合气体轴承固定在密封防护罩上，径向气体轴承和推力径向复合气体轴承位于两着陆轴承之间，推力径向复合气体轴承的上端面上设置有静压气浮供气点和螺旋状动压沟槽，在螺旋状动压沟槽的外围设置气体封边；推力径向复合气体轴承的内壁上设置有静压气浮供气点和动压沟槽，径向气体轴承的内壁上设置有静压气浮供气点和动压沟槽，径向气体轴承下方设置电机，电机的定子固定在密封防护罩上，转子固定在主轴上，电机的转子下方配置飞轮并固定在主轴上，飞轮下方配置推力径向复合气体轴承，电机的绕组与电力电子变换装置的逆变端相连，密封防护罩与气体回收装置相连通，气体回收装置与高压气源相连通，高压气源同时与径向气体轴承和推力径向复合气体轴承相连通。

所述高压气源的惰性气体通入到静压气浮供气点。

所述气体回收装置内有控制器，控制密封防护罩内气压在10^-3～10^-4pa。

所述飞轮形状可以是圆盘型，套筒型或轮辐型。

所述电机的定子也可固定在密封防护罩外。

所述静压气浮供气点是孔、缝隙或是用带有毛细孔材料填充的孔。

所述的静压气浮供气点与螺旋状动压沟槽在同一个工作面上或在与开有螺旋状动压沟槽的工作面相对应的工作面上。

所述静压气浮供气点设置在动压沟槽中也可不在动压沟槽中。

本发明采用高压气体轴承来承载飞轮，这种气体悬浮方式比采用机械轴承承载大大减小了摩擦阻力，从而降低了能量损耗和摩擦生热，提高了电池的效率和使用寿命。与磁悬浮承载相比，降低了成本，提高了可维护性，可靠性更高。

本发明的飞轮机械主体部分用密封防护罩密封，气体轴承所用气体为惰性气体，以避免高速旋转的飞轮与空气发生化学反应，从而降低飞轮的寿命。并通过气体回收装置使密封防护罩内气压维持在10^-3～10^-4pa，从而减少了飞轮高速旋转时的风损，并且使惰性气体得到回收利用。

本发明的气体轴承具有轴向和径向承载力，采用沟槽外形，并有静压气浮供气点，兼有动静压气体轴承的优点。承载力和转速相比普通气体轴承有很大提高。同时本装置还装有机械轴承，做为着陆轴承，当气体轴承不提供支撑和气体轴承发生故障时，由着陆轴承来支撑飞轮。

本发明中的电动机和发电机为同一个电机。

气体承载技术利用气膜支撑负荷并减少摩擦，与用滚动轴承及油滑动轴承相比，气体承载具有速度高、精度高、功耗低和寿命长的四大优点；与机械轴承相比，速度提高了5～10倍，支撑精度提高了2个数量级，功耗降低了3个数量级，而工作寿命则增长了数十倍，由此可见由气体支撑是机械轴承支撑所无法比拟的。气体承载同磁悬浮技术一样具有摩擦阻力小，能量损耗低，承载力大，转速高，精度高，寿命长的特点。同时又具有成本低，安装调试简单，可维护性好等磁悬浮技术不具备的优点。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是本发明的飞轮装置结构示意图；

图3是本发明的推力径向复合气体轴承的轴向剖视图；

图4是本发明的推力径向复合气体轴承的轴向俯视图；

图5是本发明的径向气体轴承的轴向剖视图；

图6是本发明的气源和气体回收装置系统图；

图7是本发明的功率变换装置原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参照图1所示，从图中可以看出飞轮储能系统的能量转换过程：充电时，电能通过电力电子变换装置6驱动电动机17带动飞轮7加速旋转，电能变为机械能存储。放电时，电动机17作为发电机，由飞轮7带动发电，由电力电子变换装置6将电能输出，同时飞轮动能减少。

参照图2所示，本发明包括密封防护罩9，密封防护罩9中央设置主轴3，主轴3上下两端与着陆轴承1内环过盈配合，着陆轴承1外环与密封防护罩9过盈配合，在主轴3的两端套有径向气体轴承2和推力径向复合气体轴承8并固定在密封防护罩9上，径向气体轴承2和推力径向复合气体轴承8位于两着陆轴承1之间，径向气体轴承2下方设置电机17，电机17的定子4固定在密封防护罩9上，转子5固定在主轴3上，电机17的转子5下方配置飞轮7并固定在主轴3上，电机17的绕组与电力电子变换装置6的逆变端相连，密封防护罩9与气体回收装置10通过管道相连通，气体回收装置10与高压气源11相连通，高压气源11与径向气体轴承2和推力径向复合气体轴承8相连通。

使用前应排净密封防护罩9内的空气，充入径向气体轴承2和推力径向复合气体轴承8所用的惰性气体。当飞轮7静止时，由着陆轴承1承载，着陆轴承1选用角接触球轴承。飞轮7旋转时，高压气源11给气体轴承2和推力径向复合气体轴承8供气，飞轮7和主轴3在气体浮力作用下上升，着陆轴承1内外圈脱离接触，从而在摩擦阻力极低的情况下高速旋转。同时，气体回收装置10将气体轴承喷出的气体回收，并使密封防护罩内气压维持在10-3～10-4pa，以减小风阻。

飞轮7的电机17既是电动机也是发电机，电机17的类型可选用感应电机、永磁无刷直流/交流电机。

飞轮7为金属或复合材料制成，包括高强度钢，铝合金，玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和石墨纤维；选用复合材料时包括单层复合和多层复合材料。飞轮形状为圆盘型，套筒型或轮辐型。

参照图3所示，推力径向复合气体轴承8内腔开有动压沟槽14和静压气浮点13，螺旋动压沟槽12的外测带有气体封边15。推力径向复合气体轴承8上端面上开有螺旋状动压沟槽12和静压气浮点13，动压沟槽14和螺旋状动压沟槽12的旋转方向与飞轮旋转方向一致。

参照图4所示，推力径向复合气体轴承8上端面的螺旋状动压沟槽12和静压气浮点13沿周向均匀分布。动压沟槽14的外侧带有气体封边15。上端面的螺旋状动压沟槽12和静压气浮点13提供轴向力，轴腔内的动压沟槽14和静压气浮点13提供径向力，两个方向都是动静压联合支撑。高压气源11的惰性气体通入到静压气浮点13。螺旋状动压沟槽12、动压沟槽14可在气体动力作用下产生支承效果。

参照图5所示，径向气体轴承2腔内有动压沟槽14和静压气浮点13。动压沟槽14旋向与主轴3旋转方向一致。高压气源11的惰性气体通入到静压气浮点13。

参照图6所示，采用高压气瓶21作为气源。气体回收装置由控制器19根据密封防护罩9上的压力表18的读数控制真空泵20回收气体，使密封防护罩9内气压维持在10^-3～10^-4pa。真空泵20与储气罐23相连。高压气瓶21装有压力表18，通过阀门开关22与储气罐23相连，储气罐23上装有压力表18。储气罐23中的惰性气体经过粗滤器24，精滤器25，压力表18，流量计26，阀门开关22，稳压器27，压力表18，节流器28，送到气体轴承的静压气浮点13使用。供气压力在0.2～2MPa(绝对压力)，压力稳定度为供气压力的±5％左右。气体清洁度要求：灰尘粒度一般小于3-5μm；相对湿度不大于35％。

参照图7所示，飞轮储能系统功率变换装置中，三相交流电源30与整流逆变装置32可控整流端相连，整流逆变装置32的逆变端与电机17的绕组连接。整流逆变装置32的输入和输出端分别与储能/放能控制器29的驱动电路端和检测电路端相连。电机17通过主轴3与飞轮7相连。速度传感器31把电机的速度信号传给储能/放能控制器29。其中整流逆变装置32和储能/放能控制器29共同构成电力电子变换装置6。

飞轮储能时，储能/放能控制器29控制整流逆变装置32，将三相交流电变为驱动电机17所需的电压和频率可变的交流电，并根据接收到的整流逆变装置32的电压、电流反馈信号和速度传感器31反馈的电机转速信号以及给定信号实时调整对整流逆变装置32的控制。

飞轮放能时，储能/放能控制器29控制整流逆变装置32，将电机17所发的交流电转换并输送给负载33。并根据接收到的整流逆变装置32的电压、电流反馈信号和速度传感器31反馈的电机转速信号以及给定信号实时调整对整流逆变装置32的控制。

Claims (10)

1、一种高压气体支撑飞轮电池，包括密封防护罩(9)，密封防护罩(9)中央设置主轴(3)，主轴(3)上下两端与着陆轴承(1)内环过盈配合，着陆轴承(1)外环与密封防护罩(9)过盈配合，其特征在于，在主轴(3)的上端套有径向气体轴承(2)，下端套有推力径向复合气体轴承(8)，径向气体轴承(2)和推力径向复合气体轴承(8)固定在密封防护罩(9)上，径向气体轴承(2)和推力径向复合气体轴承(8)位于两着陆轴承(1)之间，径向气体轴承(2)下方设置电机(17)，电机(17)的定子(4)固定在密封防护罩(9)上，转子(5)固定在主轴(3)上，电机(17)的转子(5)下方配置飞轮(7)并固定在主轴(3)上，飞轮(7)下方配置所述推力径向复合气体轴承(8)，电机(17)的绕组与电力电子变换装置(6)的逆变端相连，密封防护罩(9)与气体回收装置(10)相连通，气体回收装置(10)与高压气源(11)相连通，高压气源(11)同时与径向气体轴承(2)和推力径向复合气体轴承(8)相连通，供气压力在0.2-2MPa之间。

2、根据权利要求1所述的高压气体支撑飞轮电池，其特征在于：推力径向复合气体轴承(8)的上端面上设置有静压气浮供气点(13)和螺旋状动压沟槽(12)，在螺旋状动压沟槽(12)的外围设置气体封边(15)；推力径向复合气体轴承(8)的内壁上设置有静压气浮供气点(13)和动压沟槽(14)。

3、根据权利要求1所述的高压气体支撑飞轮电池，其特征在于：径向气体轴承(2)的内壁上设置有静压气浮供气点(13)和动压沟槽(14)。

4、根据权利要求2所述的高压气体支撑飞轮电池，其特征在于：高压气源(11)的惰性气体通入到静压气浮供气点(13)。

5、根据权利要求3所述的高压气体支撑飞轮电池，其特征在于：高压气源(11)的惰性气体通入到静压气浮供气点(13)。

6、根据权利要求1所述的高压气体支撑飞轮电池，其特征在于：气体回收装置(10)内有控制器，控制密封防护罩(9)内气压在10^-3～10^-4pa。

7、根据权利要求1所述的高压气体支撑飞轮电池，其特征在于：飞轮(7)形状是圆盘型，套筒型或轮辐型。

8、根据权利要求1所述的高压气体支撑飞轮电池，其特征在于：所述电机(17)的定子(4)固定在密封防护罩(9)外。

9、根据权利要求2或3所述的高压气体支撑飞轮电池，其特征在于：所述静压气浮供气点(13)是孔、缝隙或是用带有毛细孔材料填充的孔。

10、根据权利要求2所述的高压气体支撑飞轮电池，其特征在于：所述的静压气浮供气点(13)与螺旋状动压沟槽(12)在同一个工作面上或在与开有螺旋状动压沟槽(12)的工作面相对应的工作面上。

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